利用x射线成像技术改进锂硫电池技术

利用x射线成像实时观察运行中的电池

高级工作人员科学家Mike Toney和博士后Johanna Nelson在SLAC的斯坦福同步辐射光源检查透射x射线显微镜,一个强大的设备,可以拍摄纳米- Photo by Matt Beardsley

为了提高锂硫电池的循环寿命,并找到开发商用电动汽车锂硫电池的新方法,SLAC的科学家们正在研究实际工作电池的高功率x射线图像。

从特斯拉Model S到尼桑Leaf,大多数电动汽车都使用可充电锂离子电池——这是一项昂贵的技术,占汽车总成本的一半以上。锂硫电池是一种很有前途的替代品,理论上它可以以更低的成本存储5倍以上的能量。

但锂硫技术有一个主要缺点:经过几十次循环充放电后,电池停止工作。


Johanna Nelson使用强大的x射线成像技术来研究锂硫电池,这是一种很有前途的技术,将来可能会为电动汽车提供动力。与SLAC和斯坦福大学的科学家合作,Nelson用显微镜拍摄了单个硫颗粒的快照——这是运行中的锂硫电池的第一次实时成像。之前使用标准电子显微镜的研究表明,在循环后,大量的硫从阴极中消失,导致电池死亡。但尼尔森的研究小组发现,硫颗粒大部分仍然完好无损。他们的研究结果可以帮助科学家为电动汽车开发具有商业可行性的锂硫电池。

“锂硫电池的循环寿命非常短,”斯坦福大学(Stanford University) SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的博士后学者乔安娜·纳尔逊(Johanna Nelson)说。“一般来说,在几十次循环之后,电池就会耗尽,所以这对于电动汽车来说是不可行的,因为电动汽车需要在10年或20年的使用寿命中进行数千次循环。”

一个典型的锂硫电池由两个电极组成——一个锂金属阳极和一个硫碳阴极——周围是导电流体或电解质。一些研究将电池的短周期寿命归因于化学反应消耗了阴极硫。

但尼尔森和她的同事们最近的一项研究对之前实验的有效性提出了质疑。利用高功率x射线对一个实际工作的电池进行成像,斯坦福大学slac研究小组发现,阴极中的硫颗粒在放电过程中基本保持完好。他们的研究结果发表在美国化学学会杂志(江淮),可以帮助科学家找到开发商业上可行的电动汽车锂硫电池的新方法。

“根据之前的实验,我们预计当电池放电时,阴极中的硫颗粒会完全消失,”尼尔森说江淮研究。“相反,我们只看到了颗粒大小的微不足道的变化,这与早期研究的发现正好相反。”

Nelson和她的同事在SLAC用两种强大的成像技术进行了他们的实验:x射线衍射和透射x射线显微镜。x射线显微镜使研究人员能够在放电前、放电中和放电后拍摄单个硫颗粒的纳米级快照——这是运行中的锂硫电池的第一次实时成像。

“做高分辨率成像的标准方法是在电池部分放电后使用电子显微镜,”尼尔森说。“但电子不能很好地穿透金属和塑料。有了SLAC的x射线显微镜,我们可以看到电池运行时发生的变化。”

讨厌的多硫化合物

在锂硫电池中,当阳极中的锂离子与阴极中的硫颗粒在放电过程中发生反应时,就会产生电流。这种化学反应的副产品是一种称为锂多硫化物的化合物。

当多硫化物泄漏到电解液中并与锂金属阳极永久结合时,问题就会出现。“当这种情况发生时,聚硫化物中的所有硫物质就会丢失,”尼尔森说。“它永远不会回收利用。你不想失去活性硫物质每次电池放电。你需要一个可以多次循环使用的电池。”

先前的实验也表明,放电阶段会形成硫化二锂(Li2S)晶体。“晶体Li2S和多硫化物可以形成一层薄膜,阻止电子和锂离子的传导,”尼尔森说。“薄膜起到了绝缘层的作用,可能会导致电池耗尽。”

几项使用电子显微镜的研究产生了多硫化物和结晶Li2S涂层电极和贫硫阴极的图像。这些图像让研究人员得出结论,大部分硫已经通过化学方式转化为阻碍电池运行的li2s多硫化物薄片。

有缺陷的发现

但尼尔森和她的同事表示,之前的一些研究存在缺陷。“他们使用的方法是错误的,”尼尔森说。“通常,他们会循环电池,拆卸它,洗掉电解液,然后用x射线衍射或电子显微镜分析它。但当你这样做的时候,你也洗掉了所有的聚硫化物,它们松散地滞留在阴极上。所以当你对阴极成像时,你根本看不到任何硫物质。”

斯坦福- slac团队采取了不同的方法。研究人员利用SLAC的透射x射线显微镜,在电池放电时,每隔5分钟拍摄多次微小硫颗粒的图像。每个颗粒都是沙粒大小的一部分。结果很清楚:在整个放电周期中,每个颗粒都保持了其基本形状和大小。

“我们预计硫会完全消失,并在电解液中形成聚硫化物,”Nelson说。“相反,我们发现,在大多数情况下,粒子停留在原来的位置,失去了很少的质量。它们确实形成了多硫化物,但其中大部分被困在碳硫阴极附近。我们不需要拆卸电池,甚至不需要停止电池,因为我们可以在设备运行时对其硫含量进行成像。”

x射线衍射还带来了另一个惊喜。“根据之前的实验,我们预计晶体Li2S会在放电周期结束时形成,”她说。“但我们做了一次非常深的放电,没有看到任何晶体态的Li2S。”

未来的研究

斯坦福-SLAC的研究可以开辟新的研究途径来提高锂硫电池的性能,合著者Michael Toney说,他是SLAC的斯坦福同步辐射光源材料科学部的负责人。

托尼说:“我们的研究证明了使用高功率x射线技术在电池运行时进行研究的重要性。”“从工程的角度来看,知道依靠标准电子显微镜来测试材料的保真度可能会给你带来欺骗性的结果是有价值的。”

一些研究实验室正在寻找新的方法将多硫化物困在阴极上。各种技术已经显示出了前景,包括新型电解质和涂有硫的碳纳米管。

但多硫化物问题可能并不像之前的研究显示的那样令人生畏。

“我们发现电解液中只有很少的聚硫化物,”Nelson说。碳硫阴极实际上比预期更好地捕获了它们。但即使是少量的聚硫也会导致电池在10个周期内失效。如果科学家想要提高电池的循环寿命,他们需要防止几乎所有的聚硫化物泄漏到电解质中。如果他们真的想知道电池内部发生了什么,他们不能仅仅使用标准分析。他们需要一种能够讲述整个故事的技术。”

除了Nelson, JACS研究的共同主要作者是SLAC博士后研究员Sumohan Misra和斯坦福大学博士生Yang Yuan。

该研究还由斯坦福大学材料科学与工程和SLAC光子科学副教授崔毅(音译)共同撰写;戴洪杰,斯坦福大学化学教授;yabovip2021斯坦福大学研究生阿里尔·杰克逊(Ariel Jackson)和王海亮(Hailiang Wang);以及乔伊·c·安德鲁斯(Joy C. Andrews), SLAC的工作科学家。

这项研究得到了能源部、国防部和斯坦福大学研究生奖学金的支持。

SLAC是由斯坦福大学为能源部运营的国家实验室。这项研究是与斯坦福大学材料与能源科学研究所(Stanford Institute for Materials and Energy Science)合作进行的,斯坦福大学与slac的研究伙伴关系。

图片:马特·比尔兹利

第一个发表评论关于“利用x射线成像技术改善锂硫电池技术”

留下你的评论

邮件地址是可选的。如果提供,您的电子邮件将不会被发布或共享。